WO2018069432A1 - Verfahren zum betrieb eines verbrennungsmotorsystems für ein kraftfahrzeug und verbrennungsmotorsystem für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines verbrennungsmotorsystems für ein kraftfahrzeug und verbrennungsmotorsystem für ein kraftfahrzeug Download PDF

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Moritz Schumacher
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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating an internal combustion engine system for a motor vehicle. Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine system for a motor vehicle.
  • Internal combustion engines are often used to drive a vehicle.
  • engines it is customary to strive for a favorable power-consumption ratio in order to enable the lowest possible consumption of fuel while still satisfying the power yield, in particular in the motor vehicle sector (ie in automobiles).
  • there is an endeavor to achieve as "clean" combustion of the fuel as possible for example by combustion of the fuel as completely as possible, in particular with excess air (based on a so-called stoichiometric ratio between air and fuel ), ie in a so-called "lean mixture” can be achieved.
  • prechamber ignition is not equally easy to implement in particular for gasoline engines, since a mixture formation in the prechamber is complicated with the usually liquid gasoline present, for example, additional, gaseous additional fuels are used to fill the prechamber, or, for example, direct injectors are used.
  • these concepts require additional space and / or complex and thus usually expensive technologies.
  • the invention has for its object to provide an improved internal combustion engine system.
  • the method according to the invention serves to operate an internal combustion engine system for a motor vehicle.
  • the internal combustion engine system in this case comprises an internal combustion engine (in short: engine) with at least one main combustion chamber (also referred to as cylinder chamber) and in each case an antechamber assigned to the respective main combustion chamber, which is protected by at least one combustion chamber.
  • Flow channel with the (respective) main combustion chamber is fluidly connected.
  • a fuel-air mixture to form a Vorkam- mix mixture in the (respective) pre-chamber delivered.
  • the pre-chamber located in the antechamber mixture is ignited by means of a (the respective pre-chamber associated) ignition device (preferably a spark plug), that is brought to combustion.
  • a (the respective pre-chamber associated) ignition device preferably a spark plug
  • the ignited prechamber mixture in particular depending on the dimensions of the respective overflow channel, "burns" into the main combustion space
  • the prechamber mixture which has passed into the main combustion space is extinguished, but in this case contains at least reactive molecules which cause an ignition reaction with the main chamber mixture the opposite the antechamber preferably significantly smaller
  • fuel-air mixture is understood here and below that the fuel is not “pure” (ie without admixture of air, for example. Liquid) is introduced into the pre-chamber, but that there is already a preferably vaporous mixture. This mixture is available in an optional process variant. ante itself already flammable.
  • a complex and expensive direct injection of pure fuel for the purpose of mixture formation within the respective antechamber omitted.
  • internal combustion engine system here and below means in particular the internal combustion engine as well as the periphery serving for its operation and associated therewith (eg control devices, fuel lines, possibly existing turbochargers and the like).
  • the fuel used for the fuel-air mixture is preferably the same fuel as that of the main chamber mixture.
  • a simplified engine technology is also possible, since no separate (additional) fuel is required for filling (also referred to as "flooding") of the pre-chamber, thus eliminating the need for a tank for such a separate fuel and the associated installation effort in that the fuel of the main chamber mixture and the fuel-air mixture are taken in particular from the same tank,
  • the fuel used is gasoline, so that the engine is in particular a gasoline (Otto) engine.
  • the main chamber mixture (within the prechamber) flowing into the respectively assigned prechamber in a compression stroke from the respective main combustion chamber - in particular via the respective overflow channel - is enriched with the fuel / air mixture.
  • the pre-chamber mixture is therefore formed by the part of the main chamber mixture located in the pre-chamber and the added fuel-air mixture.
  • first is an ignitable mixture, in particular a mixture in the range formed by the stoichiometric mixture ratio, which compared to the main chamber mixture in the cylinder chamber a mass smaller by a multiple and / or a multiple (eg 80- to 99-fold relative to a so-called compression volume) smaller volume (FIG the volume of compression here and below is understood to mean the volume remaining in the cylinder space at the piston arranged at the so-called top dead center, ie at maximum immersion depth of the piston in the cylinder chamber).
  • first is an ignitable mixture, in particular a mixture in the range formed by the stoichiometric mixture ratio, which compared to the main chamber mixture in the cylinder chamber a mass smaller by a multiple and / or a multiple (eg 80- to 99-fold relative to a so-called compression volume) smaller volume (FIG the volume of compression here and below is understood to mean the volume remaining in the cylinder space at the piston arranged at the so-called top dead center, ie at maximum immersion
  • a mixture with such a combustion air ratio is ignitable failsafe with a conventional ignition using a spark plug in the cylinder chamber, at least takes place (in contrast to the above-described ignition by means of the pre-chamber mixture) usually no more complete combustion.
  • a risk of misfiring can be significantly reduced, and the cost of the internal combustion engine system can be increased and its pollutant emissions can be reduced during operation.
  • a lean fuel-air mixture ratio with a combustion air ratio of about 1, 6 or higher is used.
  • a combustion air ratio especially at a lambda value higher than 1, 6, an emission of nitrogen oxides (NOx) - especially compared to a combustion air ratio between 1, 05 and 1, 4 - particularly low, so that optionally an additional emission control can be omitted.
  • NOx nitrogen oxides
  • the fuel-air mixture is taken from a fuel tank of the motor vehicle.
  • the fuel-air mixture is thereby as such, ie in particular directly, thus without further treatment or enrichment with fuel outside the fuel taken from tanks.
  • This can advantageously a separate device for mixture formation such.
  • a carburetor, a nebulizer, an evaporator or the like omitted, because in the fuel tank is in (filled with fuel, especially gasoline) state recognized - due to the relative to other liquids usually comparatively high volatility of the fuel - already an (approximately saturated) mixture from volatilized (vaporized) fuel and air.
  • a provision and provision of the fuel (vapor) air mixture is present anyway, so that a corresponding engine technology can be kept particularly simple and, in particular, implemented cost-effectively.
  • This fuel-air mixture taken from the fuel tank is preferably used for enriching the main chamber mixture flowing into the pre-chamber in the compression stroke to a particularly ignitable mixing ratio.
  • the fuel-air mixture with the main-chamber inflow is "diluted" to the ignitable mixture ratio, particularly since the fuel-air mixture from the fuel tank is regularly too rich for ignition (ie, out of upper ignition limit) - (mass) ratio is about 14.7, while the ratio of the atmosphere in the fuel tank is about 0.68
  • the amount of the fuel-air mixture required for formation of the ignitable antechamber mixture is preferably set as a function of the ignition time and of the composition of the main chamber mixture, in particular during the compression stroke and / or optionally before the compression stroke Compression cycle (for example, during, in particular towards the end of an exhaust ejection cycle) introduced into the prechamber.
  • the mixture present in the fuel tank substantially (ie, to a large extent) contains, in addition to air as a combustible fraction, one or more readily volatile components of the fuel, ie, the or the respective component. nents of the fuel, which changes into the gaseous or vapor phase already at the ambient conditions which exist in the intended operating state.
  • the fuel-air mixture is expediently removed from the fuel tank by means of a tank ventilation system.
  • a tank ventilation system is preferably already present in any case in order to be able to remove the fuel vapor-enriched (in particular approximately saturated) atmosphere in the fuel tank.
  • an existing or even prescribed technique is advantageously used to provide the fuel-air mixture. Consequently, additional installation effort (exhaust ducts and the like) can be omitted or at least largely reduced (that is, in particular to the required connection of the injection device to the tank ventilation system).
  • the internal combustion engine system according to the invention for a motor vehicle is set up in particular for operation according to the method described above.
  • the internal combustion engine system thus comprises the above-described (combustion) engine, which in turn has the at least one main combustion chamber (cylinder chamber).
  • the internal combustion engine system comprises the antechamber associated with the respective main combustion chamber, which chamber is fluidically connected to the associated main combustion chamber by at least one of the above-described overflow channels.
  • the internal combustion engine system includes the respective pre-chamber associated injection device for dispensing the fuel-air mixture in the prechamber, and the respective ignition device.
  • the engine comprises several, for example, three or more main combustion chambers, each associated with an antechamber, an injection device and an ignition device.
  • main combustion chambers each associated with an antechamber
  • injection device an injection device
  • ignition device an ignition device
  • the injection device is a system for enriching the lean main chamber mixture within the prechamber to adjust the (preferably approximately stoichiometric or even rich) mixture ratio for the prechamber mixture to enable a particularly failsafe ignition.
  • the internal combustion engine system comprises the tank ventilation system for the fuel tank described above.
  • This tank ventilation system serves in particular for the withdrawal of the fuel vapor enriched atmosphere from the fuel tank.
  • the injection device is connected to the fuel tank of the motor vehicle for the removal of the fuel-air mixture.
  • the tank ventilation system and the associated injection device are adapted to remove the fuel-air mixture directly (in particular as such) from the fuel tank, so that an additional enrichment with fuel (especially outside of the fuel tank) can be omitted.
  • the internal combustion engine system can be particularly simple in construction, in particular since a tank ventilation system is required anyway (that is to say even in the case of an engine without an antechamber).
  • the tank ventilation system described above comprises a pumping device, for example a compressor, for drawing off (sucking off) the fuel / air mixture from the fuel tank and applying an injection pressure required for introducing the fuel / air mixture into the respective prechamber.
  • a pumping device for example a compressor
  • the latter is known to vary depending on the time of delivery of the fuel-air mixture before and / or during the compression stroke, so that early delivery requires a low injection pressure and, thus, a relatively low-power pumping apparatus may be used in this case.
  • the respective injection device comprises a particularly "simple" or commercially available solenoid valve for metering and dispensing the fuel-air mixture into the prechamber
  • the respective injection device expediently also includes a (preferably passive, eg passive) device connected between the prechamber and the solenoid valve
  • no special injection valve in particular no direct injection valve
  • Such special valves usually require a control voltage which is higher than the usual voltage value an on-board voltage of the motor vehicle has a (significantly) increased voltage value, since they usually seal off independently of the compression and / or combustion pressure em direct injection valve simpler and cheaper solenoid valve and the check valve is advantageously made possible by the fact that there is already a (in particular vapor) mixture, which only has to be metered by means of the injection device and introduced into the prechamber.
  • a comparatively complicated and in particular expensive direct injection, in particular with an accompanying atomization of the fuel for mixture formation within the pre-chamber, can thus be dispensed with.
  • the above-described, compared to liquid fuel simplified dosage of the (in particular vapor) fuel-air mixture allows a simplified compared to liquid injection valves valve technology.
  • the use of the solenoid valve and the check valve at least in the immediate vicinity of the pre-chamber advantageously requires relatively little space.
  • the internal combustion engine system also includes an electronic control unit (also referred to as a controller), which is adapted to control the solenoid valve, in particular time-controlled or (as described above) in dependence on the cycle of the engine and / or the arranged in the respective cylinder chamber piston.
  • the controller is at least in the core by a microcontroller with a processor and a data memory formed in which the functionality for controlling the solenoid valve in the form of operating software (firmware) is implemented by programming.
  • the controller may alternatively also be formed by a non-programmable electronic component, for example an ASIC.
  • the internal combustion engine system comprises a sensor system for monitoring the fuel fraction in the fuel-air mixture.
  • the sensor system is preferably set up for measurement in the tank ventilation system. This means that the sensor system is set up to pick up a parameter that is characteristic of the fuel fraction in the tank ventilation system, in particular within a (pipe) line of the tank ventilation system.
  • this measured variable is used to control the injection device, in particular the solenoid valve. Characteristic means here and below that the measured variable contains a quantitative information about the fuel fan part, so that it can be clearly read from the measured variable.
  • the measured variable can specify the fuel content directly here. However, the measured variable may also be a quantity which is directly or indirectly proportional to the fuel fan part or is in a non-linear relationship.
  • the tank ventilation system comprises an air supply into the fuel tank, wherein a tank-side air outlet of this air supply in the region of a tank bottom of the fuel tank (and thus preferably in the filled state of the fuel tank below a fuel level) is arranged.
  • the air supply is in particular (control-technically) designed to introduce air into the fuel tank as a function of the measured variable detected by means of the sensor system, in particular the determined fuel fraction.
  • the volume of the or each pre-chamber is less than 5%, preferably less than 2% of the compression volume.
  • this prechamber housing is in an expedient embodiment made of a material having a high thermal conductivity and at the same time having the highest possible mechanical strength (around the combustion occurring) manufactured to withstand high pressures).
  • a material having a high thermal conductivity Preferably (in comparison to unalloyed copper) high-strength copper alloys or (in particular compared to steel comparatively high) thermally conductive ceramics are used.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an internal combustion engine system enlarged in section a part of an internal combustion engine with an antechamber
  • FIG. 3 in view of FIG. 2 shows another embodiment of the internal combustion engine system.
  • FIG. 1 a section of an internal combustion engine system 1 is shown.
  • the internal combustion engine system 1 comprises a schematically indicated (internal combustion engine 2, which is designed as a petrol gasoline engine.)
  • a main combustion chamber (referred to as cylinder chamber 6) is arranged in the engine 2 within a cylinder 4.
  • the internal combustion engine system 1 further comprises an antechamber 8, which has a formed by an associated (pre-chamber) housing 9 prechamber combustion chamber and which is arranged in a cylinder head 10 of the engine 2.
  • the prechamber 8 (specifically the prechamber combustion chamber) tapers in the direction of the cylinder chamber 6 via a sharp edge 1 1 to a main channel 12, which is at its cylinder-side end via a plurality of overflow channels 14 in the form of (obliquely attached to the main channel 12) holes with the cylinder chamber 6 in fluid communication.
  • the internal combustion engine system 1 also includes an injection device 16 and an ignition device in the form of a spark plug 18. The latter is inserted into the housing 9 and seals the pre-chamber 8 to the cylinder 4 facing away from the end.
  • the injection device 16 comprises a solenoid valve 20 and a check valve 22 connected between the prechamber 8 and the solenoid valve 20.
  • the injection device 16 is set up before and / or during a compression stroke, in which a piston 24 (see FIG. 2) arranged in the associated cylinder 4 moves in the direction of the cylinder head 10, a fuel-air mixture into the prechamber 8 submit.
  • the solenoid valve 20 is set up for metering the amount of fuel-air mixture.
  • the fuel-air mixture enriches a compressed in the compression stroke in the cylinder chamber 6 and thereby via the overflow 14 in the antechamber 8 incoming main chamber mixture with more fuel.
  • a "richer" prechamber mixture is formed as the main chamber mixture in prechamber 8.
  • Edge 1 1 generates turbulence as the main chamber mixture flows into prechamber 8.
  • the main chamber mixture is equalized by means of a conventional (direct) injector in cylinder chamber 6 - Substance such as the fuel-air mixture and separately in the cylinder chamber 6 inflowing air formed (alternatively, the formation of the main chamber mixture can also be done by means of a so-called Saugkanaleinspritzung).
  • the pre-chamber mixture is then ignited by means of the spark plug 18. Due to the combustion, the prechamber mixture and / or its (hot) combustion gases expand and enter the cylinder chamber 6 through the overflow channels 14. Due to the nozzle-like overflow 14 form schematically indicated “torch jets" 26 (also referred to as “jets") in the cylinder chamber 6 (in particular compared to a conventional ignition) cause strong turbulence and thereby to ignite the main chamber mixture at many And thus lead to faster and better (almost complete) combustion. In this case, the torch jets 26 can be formed both from (still) burning or from already extinguished pre-chamber mixture. In the latter case, however, the torch jets 26 still contain reactive molecules which lead to an ignition of the main chamber mixture.
  • the volume of the pre-chamber 8 is about 1, 6% of the compression volume, d. H. the remaining volume of the cylinder chamber 6 when the piston 24 is located at top dead center.
  • the housing 9 is made of a high-strength copper alloy. As a result, the heat introduced into the housing 9 during combustion of the pre-chamber mixture can be dissipated into the cylinder head 10 within a short time.
  • the injection device 1 6 and thus also the prechamber 8 are connected by means of a tank ventilation system 28 to a fuel tank 30, which both form part of the internal combustion engine system 1.
  • a tank ventilation system 28 is - specifically from an upper surface of the fuel tank 30 - the fuel-air mixture as such withdrawn directly from the fuel tank 30 (sucked). That is, to provide the fuel-air mixture no additional, outside of the fuel tank 30 arranged Enrichment device is required. Rather, the fuel-air mixture is already inside the fuel tank 30.
  • the tank ventilation system 28 comprises a pumping device, specifically a compressor 32, for venting the fuel tank 30 and for generating the required injection pressure.
  • the internal combustion engine system 1 further includes a sensor system 34 for determining the proportion of fuel in the tank ventilation system 28.
  • the sensor system 34 is connected in a non-illustrated embodiment with a controller for the injection device 16 signal transmission technology.
  • the controller is set up to adjust the metering of the fuel-air mixture as a function of the fuel fan part in the fuel / air mixture guided in the tank ventilation system 28 and on the composition of the main chamber mixture.
  • the internal combustion engine system 1 comprises an air supply in the form of a pipeline 36 which leads into the fuel tank 30 and which is provided with a controllable inlet valve 38.
  • an (not shown) control electronics of the inlet valve 38 is connected to the sensor system 34.
  • the control electronics of the inlet valve 38 is configured to admit air into the fuel tank 30 at a low fuel content.
  • the pipeline 36 ends in the region of the tank bottom of the fuel tank 30, so that form a plurality of bubbles in the fuel at the inlet of air, which increase the fuel share due to an increase in the surface area from fuel to air.
  • a highly porous or sponge-like material is arranged in the fuel tank 30, in which the fuel can penetrate, so that forms compared to a simple interface between fuel and air by a multiple larger surface, the evaporation of Fuel favors.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotorsystems (1) für ein Kraftfahrzeug sowie ein solches Verbrennungsmotorsystems (1). Letzteres umfasst einen durch einen Benzin-Ottomotor gebildeter Verbrennungsmotor (2), einen Hauptverbrennungsraum (6) und eine diesem Hauptverbrennungsraum (6) zugeordnete und durch wenigstens einen Überströmkanal (14) mit dem Hauptverbrennungsraum (6) strömungstechnisch verbundene Vorkammer (8). Mittels einer der Vorkammer (8) zugeordneten Einspritzvorrichtung (16) wird in die Vorkammer (8) ein als solches aus einem Kraftstofftank (30) des Kraftfahrzeugs entnommenes Kraftstoff-Luftgemisch zur Ausbildung eines Vorkammergemischs abgegeben und dieses Vorkammergemisch mittels einer Zündvorrichtung (18) gezündet. Bei dem Kraftstoff für das Kraftstoff-Luftgemisch zur Ausbildung des Vorkammergemischs handelt es sich um den gleichen Kraftstoff wie zur Ausbildung eines Hauptkammergemischs in dem jeweiligen Hauptverbrennungsraum (6). Mittels des gezündeten und über den oder den jeweiligen Überströmkanal (14) aus der Vorkammer (8) in den Hauptverbrennungsraum (6) übertretenden Vorkammergemischs wird ein in dem Hauptverbrennungsraum (6) ausgebildetes Hauptkammergemisch (6) gezündet.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotorsystems für ein Kraftfahrzeug und Verbrennungsmotorsystem für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotorsystems für ein Kraftfahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verbrennungsmotorsystem für ein Kraftfahrzeug.
Verbrennungsmotoren kommen häufig zum Antrieb eines Fahrzeugs zum Einsatz. Üblicherweise wird bei der Auslegung der Verbrennungsmotoren (kurz: Motoren) dabei nach einem günstigen Leistungs-Verbrauchs-Verhältnis gestrebt, um insbesondere im Kraftfahrzeug-Bereich (d. h. bei Automobilen) einen möglichst geringen Verbrauch an Kraftstoff bei dennoch zufriedenstellender Leistungsausbeute zu ermöglichen. Hierzu tritt zudem noch das Bestreben, eine möglichst„saubere" Verbrennung des Kraftstoffs, d. h. insbesondere einen möglichst geringen Schadstoffausstoß zu erreichen. Dies kann beispielsweise durch eine möglichst vollständige Verbrennung des Kraftstoffs, insbesondere bei Luftüberschuss (bezogen auf ein sogenanntes stöchiometrisches Verhältnis zwischen Luft und Kraftstoff), d. h. bei einem sogenannten„mageren Gemisch" erreicht werden.
Problematisch bei einer Steigerung des Luftüberschusses ist allerdings, dass das im Verbrennungsraum (auch: Zylinderraum) des Motors gebildete Gemisch ab einem bestimmten Luft-Kraftstoff-Mischungsverhältnis, unter anderem beschrieben durch ein sogenanntes„Verbrennungsluftverhältnis λ" („Lambdawert"), nicht mehr zündfähig ist und somit gar nicht mehr oder nur unvollständig verbrennt. Im Bereich von Kraftfahrzeugmotoren wird zur Umgehung dieses Problems als eine Möglichkeit eine sogenannte„Schichtladung" im Zylinderraum erzeugt. Das heißt, dass schichtweise verschiedene Mischungsverhältnisse zwischen Luft und Kraft- Stoff ausgebildet werden, wobei im Bereich einer zur Zündung dienenden Zündvorrichtung (meist eine„Zündkerze") ein vergleichsweise„fettes" Gemisch (d. h. nahe dem stöchiometrischen Verhältnis oder sogar mit Kraftstoffüberschuss) vorliegt. Aus dem Bereich von (stationären) Motoren, die insbesondere mit Gas betrieben werden, ist der Einsatz einer sogenannten Vorkammer bekannt. Diese ist dem eigentlichen Zylinderraum vorgeschaltet und wird mit mehr Gas (d. h. einem fetteren Gemisch) als der Zylinderraum befüllt. Dadurch liegt dort ein zündfähiges Gemisch vor, das gezündet wird und beim Übertritt in den Zylinderraum das dortige magerere Gemisch zur Zündung bringen kann.
Insbesondere für Benzinmotoren ist eine solche„Vorkammerzündung" allerdings nicht gleichermaßen einfach umsetzbar, da eine Gemischbildung in der Vorkammer mit dem üblicherweise flüssig vorliegenden Benzin aufwendig ist. Zur Füllung der Vorkammer werden deshalb beispielsweise zusätzliche, gasförmige Zusatzkraftstoffe eingesetzt. Alternativ kommen bspw. Direktinjektoren zum Einsatz. Diese Konzepte erfordern jedoch zusätzlichen Bauraum und/oder komplexe und somit meist teure Technologien.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verbrennungsmotorsystem zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotorsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Des Weiteren wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verbrennungsmotorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Weitere vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betrieb eines Verbrennungsmotorsystems für ein Kraftfahrzeug. Das Verbrennungsmotorsystem umfasst dabei einen Verbrennungsmotor (kurz: Motor) mit wenigstens einem Hauptverbrennungsraum (auch als Zylinderraum bezeichnet) und jeweils eine dem jeweiligen Hauptverbrennungsraum zugeordnete Vorkammer, die durch wenigstens einen Über- Strömkanal mit dem (jeweiligen) Hauptverbrennungsraum strömungstechnisch verbunden ist. Verfahrensgemäß wird mittels einer der oder der jeweiligen Vorkammer zugeordneten Einspritzvorrichtung, die vorzugsweise Teil des Verbrennungsmotorsystems ist, ein Kraftstoff-Luftgemisch zur Ausbildung eines Vorkam- mergemischs in die (jeweilige) Vorkammer abgegeben. Anschließend wird das in der Vorkammer befindliche Vorkammergemisch mittels einer (der jeweiligen Vorkammer zugeordneten) Zündvorrichtung (vorzugsweise einer Zündkerze) gezündet, d. h. zur Verbrennung gebracht. Mittels des gezündeten - und sich somit ausdehnenden - und über den oder den jeweiligen Überströmkanal aus der jeweiligen Vorkammer in den (zugeordneten) Hauptverbrennungsraum übertretenden Vorkammergemischs wird ein in dem Hauptverbrennungsraum ausgebildetes Hauptkammergemisch gezündet.
Das gezündete Vorkammergemisch tritt dabei insbesondere in Abhängigkeit von den Abmessungen des jeweiligen Überströmkanals„brennend" in den Hauptverbrennungsraum über. Alternativ ist das in den Hauptverbrennungsraum übertretende Vorkammergemisch verloschen, enthält in diesem Fall aber zumindest reaktive Moleküle, die eine Zündreaktion mit dem Hauptkammergemisch hervorrufen. Aufgrund der gegenüber der Vorkammer vorzugsweise deutlich kleineren
Querschnittsabmessungen des jeweiligen Überströmkanals bildet das nach der Zündung in die Hauptverbrennungskammer eintretende Vorkammergemisch einen sogenannten„Fackelstrahl" oder„Jet". In beiden Fällen bewirkt der Fackelstrahl oder Jet eine vergleichsweise hohe Turbulenz im Hauptverbrennungsraum sowie eine Zündung des Hauptkammergemischs an mehreren Stellen. Dadurch wird eine (im Vergleich zu einer herkömmlichen Zündkerzenzündung im Zylinderraum) schnelle sowie vollständigere Verbrennung insbesondere auch bei mageren (und dabei gegebenenfalls auch homogen verteilten) Hauptkammergemischen ermöglicht.
Unter dem Begriff„Kraftstoff-Luftgemisch" wird hier und im Folgenden verstanden, dass der Kraftstoff nicht„pur" (d. h. ohne Beimengung von Luft, bspw. flüssig) in die Vorkammer eingebracht wird, sondern dass bereits ein vorzugsweise dampfförmiges Gemisch vorliegt. Dieses Gemisch ist in einer optionalen Verfahrensvari- ante bereits selbst zündfähig. Vorteilhafterweise kann aufgrund der Zuführung eines solchen Kraftstoff-Luftgemischs beispielsweise eine aufwendige und teure Direkteinspritzung von purem Kraftstoff zum Zweck der Gemischbildung innerhalb der jeweiligen Vorkammer entfallen. Außerdem ist die Dosierung eines solchen Kraftstoff-Luftgemischs aufgrund dessen (gegenüber flüssigem Kraftstoff) vergrößerten Volumens vorteilhafterweise besonders einfach.
Unter dem Begriff „Verbrennungsmotorsystem" wird hier und im Folgenden insbesondere der Verbrennungsmotor sowie die zu dessen Betrieb dienende und mit diesem verbundene Peripherie (z. B. Steuergeräte, Kraftstoffleitungen, ggf. vorhandene Turbolader und dergleichen verstanden).
Als Kraftstoff für das Kraftstoff-Luftgemisch wird dabei vorzugsweise der gleiche Kraftstoff wie der des Hauptkammergemischs verwendet. Dadurch wird ebenfalls eine vereinfachte Motortechnik ermöglicht, da zur Befüllung (auch als„Fluten" bezeichnet) der Vorkammer kein separater (Zusatz-)Kraftstoff erforderlich ist. Mithin entfallen auch ein für einen solchen separaten Kraftstoff erforderlicher Tank sowie der damit verbundenen Installationsaufwand. Das heißt, dass der Kraftstoff des Hauptkammergemischs und das Kraftstoff-Luftgemisch insbesondere aus dem gleichen Tank entnommen werden. Vorzugsweise wird als Kraftstoff Benzin herangezogen, so dass es sich bei dem Motor insbesondere um einen Benzin(- Otto)motor handelt.
Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, die jeweilige Vorkammer nur (d. h. ausschließlich) mit dem Kraftstoff-Luftgemisch zu fluten. Um allerdings Kraftstoff einsparen zu können, wird in einer bevorzugten Verfahrensvariante das in einem Verdichtungstakt von dem jeweiligen Hauptverbrennungsraum - insbesondere über den oder den jeweiligen Überströmkanal - in die jeweils zugeordnete Vorkammer einströmende Hauptkammergemisch (innerhalb der Vorkammer) mit dem Kraftstoff-Luftgemisch angereichert. In diesem Fall ist das Vorkammergemisch mithin durch den in der Vorkammer befindlichen Teil des Hauptkammergemischs sowie das hinzu gegebene Kraftstoff-Luftgemisch gebildet. Zweckmäßigerweise wird (vorzugsweise„erst") dabei ein zündfähiges Gemisch, insbesondere ein Gemisch im Bereich um das stöchiometrische Mischungsverhältnis gebildet, das im Vergleich zum Hauptkammergemisch im Zylinderraum eine um ein Vielfaches kleinere Masse und/oder ein vielfach (bspw. um das 80- bis 99-fache bezogen auf ein sogenanntes Kompressionsvolumen) kleineres Volumen aufweist (wobei als Kompressionsvolumen hier und im Folgenden das im Zylinderraum verbleibende Volumen bei am sogenannten oberen Totpunkt angeordnetem Kolben, d. h. bei maximaler Eintauchtiefe des Kolbens im Zylinderraum, verstanden wird). Dadurch können insbesondere auch sehr magere Gemische (bspw. mit einem Lambdawert um 1 ,6, d. h. zwischen 1 ,5 bis 1 ,7, und höher) im Hauptverbrennungsraum mit geringem Zusatz-Aufwand und insbesondere bei niedrigem
Schadstoffausstoß gezündet werden. Ein Gemisch mit einem solchen Verbrennungsluftverhältnis ist mit einer herkömmlichen Zündung mittels Zündkerze im Zylinderraum kaum fehlersicher zündbar, zumindest erfolgt dabei (im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen Zündung mittels des Vorkammergemischs) meist keine vollständige Verbrennung mehr. Insbesondere können somit vorteilhafterweise ein Risiko von Zündaussetzern deutlich verringert, sowie die Wirtschaftlichkeit des Verbrennungsmotorsystems gesteigert und dessen Schadstoffemissionen im Betrieb gesenkt werden.
Um eine besonders hohe (insbesondere thermische) Effizienz zu ermöglichen, wird in einer vorteilhaften Verfahrensvariante zumindest für einen Normalbetrieb des Motors für das Hauptkammergemisch vorzugsweise ein mageres Kraftstoff- Luft-Mischungsverhältnis mit einem Verbrennungsluftverhältnis von etwa 1 ,6 oder höher herangezogen. Außerdem ist vorteilhafterweise bei einem solchen Verbrennungsluftverhältnis, insbesondere bei einem Lambdawert höher als 1 ,6, eine Emission von Stickoxiden (NOx) - insbesondere im Vergleich zu einem Verbrennungsluftverhältnis zwischen 1 ,05 und 1 ,4 - besonders gering, so dass optional eine zusätzliche Abgasreinigung entfallen kann.
In einer zweckmäßigen Verfahrensvariante wird das Kraftstoff-Luftgemisch aus einem Kraftstofftank des Kraftfahrzeugs entnommen. Vorzugsweise wird das Kraftstoff-Luftgemisch dabei als solches, d. h. insbesondere direkt, mithin ohne weitere Aufbereitung oder Anreicherung mit Kraftstoff außerhalb des Kraftstoff- tanks entnommen. Dadurch kann vorteilhafterweise eine separate Vorrichtung zur Gemischbildung wie z. B. ein Vergaser, ein Zerstäuber, ein Verdampfer oder dergleichen entfallen, denn in dem Kraftstofftank liegt im (mit Kraftstoff, insbesondere Benzin) befüllten Zustand erkanntermaßen - aufgrund der gegenüber anderen Flüssigkeiten meist vergleichsweise hohen Flüchtigkeit des Kraftstoffs - bereits ein (näherungsweise gesättigtes) Gemisch aus verflüchtigtem (verdampften) Kraftstoff und Luft vor. Somit ist in dieser Verfahrensvariante eine Bevorratung und Bereitstellung des Kraftstoff(dampf)-Luftgemischs ohnehin vorhanden, so dass eine entsprechende Motortechnik besonders einfach gehalten und insbesondere kostengünstig umgesetzt werden kann. Bevorzugt wird dieses aus dem Kraftstofftank entnommene Kraftstoff-Luftgemisch zur Anreicherung des im Verdichtungstakt in die Vorkammer einströmenden Hauptkammergemischs auf ein insbesondere zündfähiges Mischungsverhältnis genutzt. Anders ausgedrückt wird das Kraftstoff-Luftgemisch mit dem einströmenden Hauptkammergemisch auf das zündfähige Mischungsverhältnis„verdünnt", insbesondere, da das Kraftstoff- Luftgemisch aus dem Kraftstofftank regelmäßig zu fett für eine Zündung ist (d. h. außerhalb einer oberen Zündgrenze liegt). Das stöchiometrische Luft-Kraftstoff- (Massen-) Verhältnis liegt bei etwa 14,7, während das Verhältnis der Atmosphäre im Kraftstofftank etwa 0,68 beträgt. Da im Betrieb mit fortschreitender Kompression des Hauptkammergemischs im Hauptverbrennungsraum immer mehr mageres Hauptkammergemisch in die Vorkammer einströmt, wird die Einleitung einer zur Ausbildung des zündfähigen Vorkammergemischs erforderlichen Menge des Kraftstoff-Luftgemischs außerdem vorzugsweise in Abhängigkeit von dem Zündzeitpunkt und von der Zusammensetzung des Hauptkammergemischs eingestellt. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird dabei insbesondere während des Verdichtungstakts und/oder optional auch vor dem Verdichtungstakt (beispielsweise während, insbesondere gegen Ende eines Abgas-Ausstoßtakts) in die Vorkammer eingeleitet.
Vorzugsweise enthält das im Kraftstofftank vorliegende Gemisch (und somit auch das aus dem Kraftstofftank entnommene Kraftstoff-Luftgemisch) neben Luft als brennbaren Anteil im Wesentlichen (d. h. zu großen Teilen) eine oder mehrere leichtflüchtige Komponenten des Kraftstoffs, d. h. die oder die jeweilige Kompo- nente des Kraftstoffs, die bereits bei den im bestimmungsgemäßen Betriebszustand vorliegenden Umgebungsbedingungen in die gas- oder dampfförmige Phase übergeht.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Kraftstoff- Luftgemisch zweckmäßigerweise mittels eines Tankentlüftungssystems aus dem Kraftstofftank entnommen. Ein solches Tankentlüftungssystem ist vorzugsweise meist ohnehin vorhanden, um die mit Kraftstoffdampf angereicherte (insbesondere näherungsweise gesättigte) Atmosphäre im Kraftstofftank abführen zu können. Somit wird eine bereits vorhandene oder sogar vorgeschriebene Technik vorteilhaft genutzt, um das Kraftstoff-Luftgemisch bereitzustellen. Folglich kann zusätzlicher Installationsaufwand (Abzugsleitungen und dergleichen) entfallen oder zumindest weitestgehend (d. h. insbesondere auf die erforderliche Anbindung der Einspritzvorrichtung an das Tankentlüftungssystem) reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verbrennungsmotorsystem für ein Kraftfahrzeug ist insbesondere zum Betrieb nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren eingerichtet. Das Verbrennungsmotorsystem umfasst somit den vorstehend beschriebenen (Verbrennungs-)Motor, der wiederum den wenigstens einen Hauptverbrennungsraum (Zylinderraum) aufweist. Des Weiteren umfasst das Verbrennungsmotorsystem die dem jeweiligen Hauptverbrennungsraum zugeordnete Vorkammer, die durch wenigstens einen der vorstehend beschriebenen Überströmkanäle mit dem zugeordneten Hauptverbrennungsraum strömungstechnisch verbunden ist. Ferner umfasst das Verbrennungsmotorsystem die der jeweiligen Vorkammer zugeordnete Einspritzvorrichtung zum Abgeben des Kraftstoff-Luftgemischs in die Vorkammer, sowie die jeweilige Zündvorrichtung.
Vorzugsweise umfasst der Motor mehrere, beispielsweise drei oder mehr Hauptverbrennungsräume, denen jeweils eine Vorkammer, eine Einspritzvorrichtung sowie eine Zündvorrichtung zugeordnet sind. Da das erfindungsgemäße Verbrennungsmotorsystem zum Betrieb nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren ausgebildet ist, ergeben sich für das Verbrennungsmotorsystem ebenfalls die vorstehend beschriebenen Vorteile.
In einer bevorzugten Ausführung handelt es sich bei der Einspritzvorrichtung um ein System zur Anreicherung des mageren Hauptkammergemischs innerhalb der Vorkammer, um für das Vorkammergemisch ein, eine insbesondere fehlersichere Zündung ermöglichendes (vorzugsweise annähernd stöchiometrisches oder sogar fettes) Mischungsverhältnis einzustellen.
In einer zweckmäßigen Ausführung umfasst das Verbrennungsmotorsystem das vorstehend beschriebene Tankentlüftungssystem für den Kraftstofftank. Dieses Tankentlüftungssystem dient dabei insbesondere zum Abzug der mit Kraftstoffdampf angereicherten Atmosphäre aus dem Kraftstofftank. Insbesondere mittels dieses Tankentlüftungssystems ist die Einspritzvorrichtung mit dem Kraftstofftank des Kraftfahrzeugs zur Entnahme des Kraftstoff-Luftgemischs verbunden. Vorzugsweise sind das Tankentlüftungssystem sowie die damit verbundene Einspritzvorrichtung dazu eingerichtet, das Kraftstoff-Luftgemisch direkt (insbesondere als solches) aus dem Kraftstofftank zu entnehmen, so dass eine zusätzliche Anreicherung mit Kraftstoff (insbesondere außerhalb des Kraftstofftanks) entfallen kann. Somit kann das Verbrennungsmotorsystem besonders einfach aufgebaut sein, insbesondere da ein Tankentlüftungssystem ohnehin (d. h. auch bei einem Motor ohne Vorkammer) erforderlich ist.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst das vorstehend beschriebene Tankentlüftungssystem eine Pumpvorrichtung, beispielsweise einen Kompressor, um das Kraftstoff-Luftgemisch aus dem Kraftstofftank abzuziehen (abzusaugen) und einen zum Einbringen des Kraftstoff-Luftgemischs in die jeweilige Vorkammer erforderlichen Einspritzdruck aufzubringen. Letzterer variiert erkanntermaßen in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der Abgabe des Kraftstoff-Luftgemischs vor und/oder während des Verdichtungstakts, so dass bei einer frühzeitigen Abgabe ein geringer Einspritzdruck erforderlich ist und somit in diesem Fall auch eine Pumpvorrichtung mit vergleichsweise geringer Leistung eingesetzt werden kann. In einer vorteilhaften Ausführung umfasst die jeweilige Einspritzvorrichtung ein insbesondere„einfaches" oder handelsübliches Magnetventil zur Dosierung und Abgabe des Kraftstoff-Luftgemischs in die Vorkammer. In diesem Fall umfasst die jeweilige Einspritzvorrichtung zweckmäßigerweise auch ein zwischen die Vorkammer und das Magnetventil geschaltetes (vorzugsweise passives, bspw. federbelastetes) Rückschlagventil, das dabei insbesondere ausschließlich zur Abdichtung der Vorkammer gegen den Verdichtungs- und/oder Verbrennungsdruck dient. Mithin ist in dieser Ausführung kein spezielles Einspritzventil, insbesondere kein Direkteinspritzventil erforderlich. Derartige spezielle Ventile erfordern meist eine Steuerspannung, die gegenüber dem üblichen Spannungswert einer Bordspannung des Kraftfahrzeugs einen (deutlich) erhöhten Spannungswert aufweist, da sie üblicherweise eigenständig gegen den Verdichtungs- und/oder Verbrennungsdruck abdichten. Der Einsatz des im Vergleich zu einem Direkteinspritzventil einfacheren und günstigeren Magnetventils und des Rückschlagventils ist vorteilhafterweise dadurch ermöglicht, dass bereits ein (insbesondere dampfförmiges) Gemisch vorliegt, das mittels der Einspritzvorrichtung lediglich dosiert und in die Vorkammer eingeleitet werden muss. Eine vergleichsweise komplizierte und insbesondere teure Direkteinspritzung, insbesondere mit einer einhergehenden Zerstäubung des Kraftstoffs zur Gemischbildung innerhalb der Vorkammer kann somit entfallen. Außerdem ermöglicht die bereits vorstehend beschriebene, gegenüber flüssigem Kraftstoff vereinfachte Dosierung des (insbesondere dampfförmigen) Kraftstoff-Luftgemischs eine im Vergleich zu Flüssigeinspritzventilen vereinfachte Ventiltechnik. Des Weiteren erfordert der Einsatz des Magnetventils sowie des Rückschlagventils zumindest in unmittelbarer Umgebung der Vorkammer vorteilhafterweise vergleichsweise wenig Bauraum.
Vorzugsweise umfasst das Verbrennungsmotorsystem auch eine Steuerelektronik (auch als Controller bezeichnet), die dazu eingerichtet ist, das Magnetventil insbesondere zeitgesteuert oder (wie vorstehend beschrieben) in Abhängigkeit von dem Zyklus des Motors und/oder des im jeweiligen Zylinderraum angeordneten Kolbens anzusteuern. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Controller zumindest im Kern durch einen MikroController mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Steuerung des Magnetventils in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist. Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nichtprogrammierbares elektronisches Bauteil, z.B. einen ASIC, gebildet sein.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung umfasst das Verbrennungsmotorsystem ein Sensorsystem zur Überwachung des Kraftstoffanteils im Kraftstoff- Luftgemisch. Das Sensorsystem ist dabei vorzugsweise zur Messung in dem Tankentlüftungssystem eingerichtet. Das heißt, dass das Sensorsystem dazu eingerichtet ist, eine für den Kraftstoffanteil charakteristische Messgröße im Tankentlüftungssystem, insbesondere innerhalb einer (Rohr-)Leitung des Tankentlüftungssystems abzugreifen. Zweckmäßigerweise wird diese erfasste Messgröße zu Steuerung der Einspritzvorrichtung, insbesondere des Magnetventils herangezogen. Charakteristisch bedeutet hier und im Folgenden, dass die Messgröße eine quantitative Information über den Kraftstof fanteil beinhaltet, so dass dieser sich eindeutig aus der Messgröße ablesen lässt. Die Messgröße kann hierbei den Kraftstoffanteil unmittelbar angeben. Bei der Messgröße kann es sich aber auch um eine Größe handeln, die zu dem Kraftstof fanteil direkt oder indirekt proportional ist oder in einem nicht-linearen Verhältnis steht.
In einer zweckmäßigen Weiterbildung umfasst das Tankentlüftungssystem eine Luftzufuhr in den Kraftstofftank, wobei ein tankseitiger Luftauslass dieser Luftzufuhr im Bereich eines Tankbodens des Kraftstofftanks (und somit vorzugsweise im befüllten Zustand des Kraftstofftanks unterhalb eines Kraftstoffspiegels) angeordnet ist. Die Luftzufuhr ist in diesem Fall insbesondere (steuerungstechnisch) dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der mittels des Sensorsystems erfassten Messgröße, insbesondere dem ermittelten Kraftstoffanteil Luft in den Kraftstofftank einzuleiten. Dadurch, dass der tankseitige Luftauslass im Bereich des Tankbodens angeordnet ist, bilden sich bei Lufteinleitung somit Blasen, die im Kraftstoff aufsteigen und dabei zu einer Erhöhung des Kraftstoffanteils in der Atmosphäre im Kraftstofftank führen. Dadurch können beispielsweise betriebs- und/oder klimabedingte Schwankungen des Kraftstoffanteils der Atmosphäre im Kraftstofftank ausgeglichen werden. In einer bevorzugten Ausführung beträgt das Volumen der oder der jeweiligen Vorkammer weniger als 5 %, vorzugsweise weniger als 2 % des Kompressionsvolumens.
Um auch ohne aktive (Fluid-)Kühlung eines die jeweilige Vorkammer umgebenden Vorkammergehäuses einen temperaturbedingten Verschleiß des Vorkammergehäuses zu vermeiden, ist dieses Vorkammergehäuse in einer zweckmäßigen Ausführung aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig möglichst hoher mechanischer Festigkeit (um den bei der Verbrennung auftretenden hohen Druckwerten widerstehen zu können) gefertigt. Vorzugsweise kommen dabei (gegenüber unlegiertem Kupfer) hochfeste Kupferlegierungen oder (insbesondere gegenüber Stahl vergleichsweise hoch) wärmeleitfähige Keramiken zum Einsatz. Dadurch kann die bei der Verbrennung auftretende Wärme auf einfache Weise in einen dem Motor zugeordneten Zylinderkopf, in dem die jeweilige Vorkammer, bzw. deren Vorkammergehäuse vorzugsweise eingesetzt ist, abgeleitet werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung eines Verbrennungsmotorsystems ausschnitthaft vergrößert einen Teil eines Verbrennungsmotors mit einer Vorkammer,
Fig. 2 in einem schematischen Funktionsdiagramm das Verbrennungsmotorsystem, und
Fig. 3 in Ansicht gemäß Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verbrennungsmotorsystems.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines Verbrennungsmotorsystems 1 dargestellt. Das Verbrennungsmotorsystem 1 umfasst einen schematisch angedeuteten (Verbrennungsmotor 2, der als Benzin-Ottomotor ausgebildet ist. In dem Motor 2 ist innerhalb eines Zylinders 4 ein Hauptverbrennungsraum (als Zylinderraum 6 bezeichnet) angeordnet. Das Verbrennungsmotorsystem 1 umfasst des Weiteren eine Vorkammer 8, die einen von einem zugeordneten (Vorkammer-)Gehäuse 9 umgebenen Vorkammer-Brennraum ausbildet und die in einem Zylinderkopf 10 des Motors 2 angeordnet ist. Die Vorkammer 8 (konkret deren Vorkammer- Brennraum) verjüngt sich in Richtung auf den Zylinderraum 6 über eine scharfe Kante 1 1 zu einem Hauptkanal 12, der an seinem zylinderseitigen Ende über mehrere Überströmkanäle 14 in Form von (schräg zu dem Hauptkanal 12 angesetzten) Bohrungen mit dem Zylinderraum 6 in strömungstechnischer Verbindung steht.
Das Verbrennungsmotorsystem 1 umfasst außerdem eine Einspritzvorrichtung 16 und eine Zündvorrichtung in Form einer Zündkerze 18. Letztere ist in das Gehäuse 9 eingesetzt und dichtet die Vorkammer 8 zum dem Zylinder 4 abgewandten Ende hin ab. Die Einspritzvorrichtung 16 umfasst ein Magnetventil 20 und ein zwischen die Vorkammer 8 und das Magnetventil 20 geschaltetes Rückschlagventil 22.
Die Einspritzvorrichtung 16 ist dazu eingerichtet, vor und/oder während eines Verdichtungstakts, in dem ein in dem zugeordneten Zylinder 4 angeordneter Kolben 24 (s. Fig. 2) sich in Richtung auf den Zylinderkopf 1 0 zubewegt, ein Kraftstoff- Luftgemisch in die Vorkammer 8 abzugeben. Das Magnetventil 20 ist dabei zur Dosierung der Menge des Kraftstoff-Luftgemischs eingerichtet. Das Kraftstoff- Luftgemisch reichert dabei ein in dem Verdichtungstakt in dem Zylinderraum 6 verdichtetes und dabei über die Überströmkanäle 14 in die Vorkammer 8 einströmendes Hauptkammergemisch mit mehr Kraftstoff an. Somit wird in der Vorkammer 8 ein„fetteres" Vorkammergemisch als das Hauptkammergemisch gebildet. Die Kante 1 1 erzeugt beim Einströmen des Hauptkammergemischs in die Vorkammer 8 Turbulenzen. Das Hauptkammergemisch wird mittels einer herkömmlichen (Direkt-)Einspritzvorrichtung in dem Zylinderraum 6 aus dem gleichem Kraft- Stoff wie der des Kraftstoff-Luftgemischs und separat in den Zylinderraum 6 einströmender Luft gebildet (alternativ kann die Bildung des Hauptkammergemischs auch mittels einer sogenannten Saugkanaleinspritzung erfolgen).
Das Vorkammergemisch wird anschließend mittels der Zündkerze 18 gezündet. Aufgrund der Verbrennung dehnen sich das Vorkammergemisch und/oder dessen (heiße) Verbrennungsgase aus und treten durch die Überströmkanäle 14 in den Zylinderraum 6 ein. Aufgrund der düsenartigen Überströmkanäle 14 bilden sich im Zylinderraum 6 schematisch angedeutete„Fackelstrahlen" 26 (auch als„Jets" bezeichnet) aus, die im Zylinderraum 6 (insbesondere im Vergleich zu einer herkömmlichen Zündung) starke Turbulenzen verursachen und dabei zur Zündung des Hauptkammergemischs an vielen Stellen und somit auch zu einer schnelleren und besseren (nahezu vollständigen) Verbrennung führen. Dabei können die Fackelstrahlen 26 sowohl aus (noch) brennendem oder aus bereits verloschenem Vorkammergemisch gebildet sein. In letzterem Fall sind in den Fackelstrahlen 26 aber dennoch reaktive Moleküle enthalten, die zu einer Zündung des Hauptkammergemischs führen.
Das Volumen der Vorkammer 8 beträgt dabei etwa 1 ,6 % des Kompressionsvolumens, d. h. des Restvolumens des Zylinderraums 6, wenn der Kolben 24 am oberen Totpunkt angeordnet ist. Um eine Temperaturbelastung des Gehäuses 9 der Vorkammer 8 möglichst gering zu halten, ist das Gehäuse 9 aus einer hochfesten Kupferlegierung gefertigt. Dadurch kann die beim Verbrennen des Vor- kammergemischs in das Gehäuse 9 eingebrachte Wärme innerhalb kurzer Zeit in den Zylinderkopf 10 abgeleitet werden.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist die Einspritzvorrichtung 1 6 und damit auch die Vorkammer 8 mittels eines Tankentlüftungssystems 28 mit einem Kraftstofftank 30 verbunden, die beide einen Teil des Verbrennungsmotorsystems 1 bilden. Über das Tankentlüftungssystem 28 wird - konkret von einer Oberseite des Kraftstofftanks 30 - das Kraftstoff-Luftgemisch als solches direkt aus dem Kraftstofftank 30 abgezogen (abgesaugt). Das heißt, dass zur Bereitstellung des Kraftstoff- Luftgemischs keine zusätzliche, außerhalb des Kraftstofftanks 30 angeordnete Anreicherungsvorrichtung erforderlich ist. Vielmehr liegt das Kraftstoff-Luftgemisch bereits innerhalb des Kraftstofftanks 30 vor. Das Tankentlüftungssystem 28 um- fasst zur Entlüftung des Kraftstofftanks 30 sowie zur Erzeugung des erforderlichen Einspritzdrucks eine Pumpvorrichtung, konkret einen Kompressor 32.
Das Verbrennungsmotorsystem 1 umfasst des Weiteren ein Sensorsystem 34 zur Ermittlung des Kraftstoffanteils in dem Tankentlüftungssystem 28. Das Sensorsystem 34 ist in einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Controller für die Einspritzvorrichtung 16 signalübertragungstechnisch verbunden. Der Controller ist dabei dazu eingerichtet, die Dosierung des Kraftstoff-Luftgemischs in Abhängigkeit von dem Kraftstof fanteil in dem im Tankentlüftungssystem 28 geführten Kraftstoff-Luftgemisch sowie von der Zusammensetzung des Hauptkam- mergemischs einzustellen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 umfasst das Verbrennungsmotorsystem 1 eine Luftzufuhr in Form einer Rohrleitung 36, die in den Kraftstofftank 30 führt und die mit einem ansteuerbaren Einlassventil 38 versehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine (nicht näher dargestellte) Steuerelektronik des Einlassventils 38 mit dem Sensorsystem 34 verschaltet. Die Steuerelektronik des Einlassventils 38 ist dabei dazu eingerichtet, bei einem geringen Kraftstoffanteil Luft in den Kraftstofftank 30 einzulassen. Die Rohrleitung 36 endet dabei im Bereich des Tankbodens des Kraftstofftanks 30, so dass sich beim Einlass von Luft eine Vielzahl von Blasen im Kraftstoff bilden, die den Kraftstoff anteil aufgrund einer Vergrößerung der Oberfläche von Kraftstoff zu Luft erhöhen.
In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist in dem Kraftstofftank 30 ein hochporöses oder schwammartiges Material angeordnet, in das der Kraftstoff eindringen kann, so dass sich eine im Vergleich zu einer einfachen Trennfläche zwischen Kraftstoff und Luft um ein Vielfaches größere Oberfläche bildet, die die Verdampfung von Kraftstoff begünstigt.
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Er- findung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung und deren Ausgestaltungsvarianten auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste
1 Verbrennungsmotorsystem
2 Motor
4 Zylinder
6 Zylinderraum
8 Vorkammer
9 Vorkammergehäuse
10 Zylinderkopf
1 1 Kante
12 Hauptkanal
14 Überströmkanal
16 Einspritzvorrichtung
18 Zündkerze
20 Magnetventil
22 Rückschlagventil
24 Kolben
26 Fackel strahl
28 Tankentlüftungssystem
30 Kraftstofftank
32 Kompressor
34 Sensorsystem
36 Rohrleitung
38 Einlassventil

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotorsystems (1 ) für ein Kraftfahrzeug, wobei ein durch einen Benzin-Ottomotor gebildeter Verbrennungsmotor (2) des Verbrennungsmotorsystems (1 ) einen Hauptverbrennungsraum (6) und eine diesem Hauptverbrennungsraum (6) zugeordnete und durch wenigstens einen Überströmkanal (14) mit dem Hauptverbrennungsraum (6) strömungstechnisch verbundene Vorkammer (8) umfasst, wobei verfahrensgemäß
- mittels einer der Vorkammer (8) zugeordneten Einspritzvorrichtung (16) in die Vorkammer (8) ein Kraftstoff-Luftgemisch zur Ausbildung eines Vor- kammergemischs abgegeben wird,
- das in der Vorkammer (8) befindliche Vorkammergemisch mittels einer Zündvorrichtung (18) gezündet wird,
- mittels des gezündeten und über den oder den jeweiligen Überströmkanal (14) aus der Vorkammer (8) in den Hauptverbrennungsraum (6) übertretenden Vorkammergemischs ein in dem Hauptverbrennungsraum (6) ausgebildetes Hauptkammergemisch gezündet wird,
- als Kraftstoff für das Kraftstoff-Luftgemisch zur Ausbildung des Vorkammergemischs der gleiche Kraftstoff wie der des Hauptkammergemischs verwendet wird, und
- das Kraftstoff-Luftgemisch als solches aus einem Kraftstofftank (30) des Kraftfahrzeugs entnommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei das in einem Verdichtungstakt von dem Hauptverbrennungsraum (6) in die Vorkammer (8) einströmende Hauptkammergemisch mit dem Kraftstoff-Luftgemisch angereichert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das Kraftstoff-Luftgemisch und der Kraftstoff für das Hauptkammergemisch aus dem Kraftstofftank (30) entnommen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei das Kraftstoff-Luftgemisch mittels eines Tankentlüftungssystems (28) aus dem Kraftstofftank (30) entnommen wird.
5. Verbrennungsmotorsystem (1 ) für ein Kraftfahrzeug,
- mit einem Verbrennungsmotor (2), der wenigstens einen Hauptverbrennungsraum (6) umfasst, und der als Benzin-Ottomotor ausgebildet ist,
- mit einer dem jeweiligen Hauptverbrennungsraum (6) zugeordneten Vorkammer (8), die durch wenigstens einen Überströmkanal (14) mit dem jeweiligen Hauptverbrennungsraum (6) strömungstechnisch verbunden ist,
- mit einer Einspritzvorrichtung (16) zum Abgeben eines als solches aus einem Kraftstofftank (30) des Kraftfahrzeugs entnommenen Kraftstoff- Luftgemischs in die jeweilige Vorkammer (8) zur Ausbildung eines Vor- kammergemischs, wobei es sich bei dem Kraftstoff für das Kraftstoff- Luftgemisch zur Ausbildung des Vorkammergemischs um den gleichen Kraftstoff wie zur Ausbildung eines Hauptkammergemischs in dem jeweiligen Hauptverbrennungsraum (6) handelt, und
- mit einer der jeweiligen Vorkammer (8) zugeordneten Zündvorrichtung (18).
6. Verbrennungsmotorsystem (1 ) nach Anspruch 5,
mit einem Tankentlüftungssystem (28), wobei die Einspritzvorrichtung (16) mittels des Tankentlüftungssystems (28) mit dem Kraftstofftank (30) des Kraftfahrzeugs zur Entnahme des Kraftstoff-Luftgemischs verbunden ist.
7. Verbrennungsmotorsystem (1 ) nach Anspruch 6,
wobei das Tankentlüftungssystem (28) eine Pumpvorrichtung (32) zum Abzug des Kraftstoff-Luftgemischs aus dem Kraftstofftank (30) und zum Aufbringen eines erforderlichen Einspritzdrucks umfasst.
8. Verbrennungsmotorsystem (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Einspritzvorrichtung (16) ein Magnetventil (20) zur Abgabe des Kraftstoff-Luftgemischs in die Vorkammer (8) sowie ein zwischen die Vorkammer (8) und das Magnetventil (20) geschaltetes Rückschlagventil (22) umfasst.
9. Verbrennungsmotorsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
mit einem Sensorsystem (34) zur Überwachung eines Kraftstoffanteils im Kraftstoff-Luftgemisch, wobei das Sensorsystem (34) zur Messung in dem Tankentlüftungssystem (28) eingerichtet ist.
10. Verbrennungsmotorsystem (1 ) nach Anspruch 9,
wobei das Tankentlüftungssystem (28) eine Luftzufuhr (36,38) in den Kraftstofftank (30) umfasst, wobei ein tankseitiger Luftauslass der Luftzufuhr (36,38) im Bereich eines Tankbodens des Kraftstofftanks (30) angeordnet ist, und wobei die Luftzufuhr (36,38) dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem mittels des Sensorsystems (34) ermittelten Kraftstof fanteil Luft in den Kraftstofftank (30) einzuleiten.
1 1 . Verbrennungsmotorsystem (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
wobei die Vorkammer (8) ein Volumen von kleiner als 5 %, vorzugsweise von kleiner als 2 % eines Kompressionsvolumens aufweist.
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